DE102014013533A1

DE102014013533A1 - Zusammengefügte Faserverbundbauteile für Luft- oder Raumfahrzeuge und Verfahren zu Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102014013533A1
Application number: DE102014013533.0A
Authority: DE
Inventors: Michaela Wilamowski; Alexei Vichniakov
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2014-09-12
Filing date: 2014-09-12
Publication date: 2016-03-17
Also published as: US20160075112A1

Abstract

Zusammengefügte Faserverbundbauteile von Luft- oder Raumfahrzeugen und Verfahren zur Herstellung derselben umfassend die Schritte a) Positionieren der zu fügenden Bauteile, b) Bestimmen der Spaltmaße der Fügung, c) Positionieren von Füllmaterial aus thermoplastischem Material und der zu fügenden Teile an der Fügeposition, d) Fixieren der zu fügenden Bauteile durch Aufheizen des Füllmaterials aus thermoplastischem Material, e) Bohren und Nieten der zu fügenden Bauteile.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage von Bauteilen aus Faserverbundwerkstoffen, bei dem Passungstoleranzen ausgeglichen werden. Die Ursachen für solche Passungstoleranzen sind vielfältig. Passungstoleranzen können dazu führen, dass zusammen gefügte Bauteile eine verringerte Resistenz der Fügungen gegenüber angreifenden Kräften aufweisen.
Beispielsweise können im Flugzeugbau beim Verbinden von CFK-Hautfeldern, Längsversteifungen, Verbindungswinkeln und umlaufenden Versteifungen Toleranzen auftreten, die etwa durch die erheblichen Abmessungen der Bauteile hervorgerufen werden. In der Einzelteilfertigung können ausgehärtete Längsversteifungen in einem Klebeprozess mit einer nicht ausgehärteten CFK-Haut gefügt werden, wodurch ein verstärktes Hautfeld entsteht, welches das Ausgangsbauteil für die Rumpfschalenmontage darstellen kann. Das CFK-Hautfeld, die Längsversteifungen, Verbindungswinkel und umlaufende Versteifungen können durch Niete verbunden werden.
Dabei können in einem ersten Montageschritt ausgehärtete Verbindungswinkel mit Dichtmasse in einem definierten Abstand auf dem Hautfeld positioniert werden, wobei eine Klebeverbindung zwischen dem Fuß des Verbindungswinkels und dem Fuß der Längsversteifung hergestellt wird. Um dabei eine möglichst große Klebefläche zu erreichen, können die Füße der Längsversteifungen an den Positionen der Verbindungswinkel Ausbuchtungen aufweisen, welche als Entenfüße oder Duck-Feet bezeichnet werden. Zusätzlich können die Duck-Feet die Anzahl der an der Klebeverbindung beteiligten Oberflächen reduzieren und so die Menge der zu berücksichtigenden Oberflächen- und Dickentoleranzen bei der Klebung vermindern. Aufgrund von Dickentoleranzen des Hautfeldes und der Füße der Längsversteifungsprofile, sowie Rechtwinkligkeitstoleranzen der CFK-Verbindungswinkel können Hohlräume, Spalte, Kanten und Fugen auftreten. Um zu verhindern, dass beim Fügen der Bauteile Spannungen mit statischen Auswirkungen wie z. B. Scherkräften auftreten, können Spalte und Hohlräume ausgeglichen werden.
Dies kann bei geringen Spaltmaßen mit Hilfe von Dichtmasse erfolgen.
In Falle größerer Spaltmaße kann der Spalt mittels flüssiger Ausgleichsmittel aufgefüllt werden. Diese besteht aus Basis und Härter gemischter pastöser Kunststoffmassen, die bei Raumtemperatur zu einer undeformierbaren, festen Masse aushärtet. Das flüssig vorliegende Toleranzausgleichsmittel kann wie in einem Klebeprozess auf die zu fügenden Bauteile aufgetragen werden. Die Bauteile können montiert und bis zur vollständigen Aushärtung des Shim-Materials in einer Vorrichtung gehalten werden. Anschließend können sie erneut demontiert und mit Dichtmasse gefügt werden.
Bei einem noch größeren Spaltmaß, bei dem flüssige Toleranzausgleichsmittel nicht mehr angewendet werden, kann der Spalt mit einer aus Festkörper und Flüssigmittel gemischten Einlage aufgefüllt werden, wobei der Anteil des Festkörpers zum Toleranzausgleich beidseitig mit Flüssigshim versehen werden kann. Hierzu eignen sich CFK- oder GFK-Plättchen.
Nach der Aushärtung des flüssigen Anteils können die Bauteile unter Verwendung von Dichtmasse gefügt werden. Nach der vollständigen Aushärtung der Dichtmasse zwischen den zu fügenden Bauteilen können in einem weiteren Montageschritt die Verbindungswinkel mit der CFK-Haut vernietet werden.
Thermoplastische Verbindungen sind bekannt und werden durch ein Aufschmelzen der zu verbindenden Schichten realisiert. Gegenüber Duroplasten haben Thermoplaste allgemein ein schlechteres Verhalten in Bezug auf Kriechen, welches besonders im Luftfahrzeugbau von Bedeutung ist. Das führt dazu, dass für strukturelle Verbindungen und Bauteile Duroplaste bevorzugt werden, beziehungsweise Thermoplaste mit einer hohen Glasübergangstemperatur genutzt werden müssen, die aufwändig verarbeitet werden.
Es bestand der Bedarf, den Aufwand bei der Montage von gefügten Faserverbundbauteilen zu verringern. Überraschend und für den Fachmann nicht vorhersehbar hilft ein Verfahren zum Fügen von Faserverbundbauteilen umfassend die Schritte a) Positionieren der zu fügenden Bauteile, b) Bestimmen der Spaltmaße der Fügung, c) Positionieren von Füllmaterial aus thermoplastischem Material und der zu fügenden Teile an der Fügeposition, d) Fixieren der zu fügenden Bauteile durch Aufheizen des Füllmaterials aus thermoplastischem Material, e) Bohren und Nieten der zu fügenden Bauteile den Mängeln des Standes der Technik ab. Damit können Faserverbundbauteile in einem einfachen Verfahren zusammengefügt werden. Aushärtungszeiten treten nicht auf. Demontage- und Montageschritte können auf ein Mindestmaß verringert werden. Bevorzugt werden die Schritte a) bis e) in ihrer alphabetischen Reihenfolge durchgeführt. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Füllmaterial aus thermoplastischem Material eine Glastemperatur über 80°C aufweist. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das Füllmaterial aus thermoplastischem Material überwiegend aus Material besteht, das unter PA, PPS, PP, PC, PEI gewählt wird. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Füllmaterial im Wesentlichen aus thermoplastischem Material besteht, das unter PA, PPS, PP, PC, PEI gewählt wird, der Gehalt an den genannten Materialien also größer als 90 Gew.%, bevorzugt größer als 95 Gew.%, besondes bevorzugt größer als 99 Gew.% liegt, jeweils bezogen auf die Gesamtgewicht des verwendeten Füllmaterials. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Füllmaterial aus thermoplastischem Material eine einzelne Folienschicht oder ein Stapel von Folienschichten darstellt. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Folienschicht oder der Stapel von Folienschichten eine Stärke von bis zu 3 mm aufweist. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Fixieren der zu fügenden Bauteile durch Aufheizen des Füllmaterials mit Ultraschall erfolgt. Ebenso ist es bevorzugt, wenn das Fixieren der zu fügenden Bauteile durch Aufheizen des Füllmaterials durch Induktion erfolgt. Dabei ist es bevorzugt, wenn das Aufheizen des Füllmaterials durch Induktion im Wesentlichen nur in der Ebene der Folie erfolgt. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Faserverbundbauteile Bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff darstellen. Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Faserverbundbauteile Bauteile von Luft- oder Raumfahrzeugen sind. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die zu fügenden Faserverbundbauteile ein vollständig ausgehärtetes Hautfeld eines Luftfahrzeugs und Versteifungselemente wie umlaufende Versteifungen (Spante) und/oder Längsversteifungen (Stringer) darstellen. Die Erfindung umfasst daher auch zusammengefügte Faserverbundbauteile von Luft- oder Raumfahrzeugen erhältlich nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wie es oben dargestellt wurde.
1 zeigt ein Verfahren zum Fügen von Faserverbundbauteilen. Dabei werden die zu fügenden Bauteile zunächst (1) aufeinander positioniert und die Spaltmaße der Fügung werden gemessen, anschließend (2) der Spalt gefüllt und die Füllung sowie die zu fügenden Teile miteinander verbunden sowie abschließend (3) die zu fügenden Teile und das den Spalt füllende Material gebohrt und genietet.
2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren zum Fügen von Faserverbundbauteilen. Dabei kann der Schritt (2) des Verfahrens, das Füllen des Spalts und das Verbinden von Füllung und zu fügenden Teile miteinander, folgendermaßen durchgeführt werden: Zunächst (4) wird der Bedarf an Füllung aus thermoplastischem Material aus den Abmessungen der Fügestelle und dem Spaltmaß bestimmt. Anschließend (5) werden die Füllung aus thermoplastischem Material und die zu fügenden Teile an der Fügeposition positioniert und bei Bedarf durch Klammern fixiert. Abschließend (6) erfolgt ein Verbinden der Füllung und der zu fügenden Teile miteinander durch Aufschmelzen des thermoplastischen Materials. Durch das nachfolgende Erstarren werden die zu fügenden Teile unter Auffüllung des Spaltes zwischen ihnen verbunden. Da die Verbindung nicht als strukturelle Verbindung, sondern als Toleranzausgleichsmaßnahme gedacht ist, kommen hierfür auch Thermoplaste mit niedriger Glasübergangstemperatur in Frage.
3 zeigt eine Handhabung der Füllung aus thermoplastischem Material: Die Füllung kann aus einem genau an die jeweiligen Spaltmaße (7) zwischen den zu fügenden Bauteilen (8) und (9) angepassten Stück aus thermoplastischem Material (10) bestehen. Um unterschiedliche Spaltmaße unter Verwendung eines einzigen Rohmaterials, beispielsweise einer thermoplastischen Folie, auffüllen zu können, werden mehrere Lagen (12) Füllmaterial bis zum Erreichen des Spaltmaßes zwischen den zu fügenden Bauteilen positioniert.
Bezugszeichenliste

1: Positionieren der zu fügenden Bauteile aufeinander und Messen der Spaltmaße
2: Füllen des Spalts und Verbinden der Füllung und der zu fügenden Teile
3: Bohren und Nieten der zu fügenden Teile und des den Spalt füllenden Materials
4: Bestimmung des Bedarfs an Füllung
5: Positionieren der Füllung und der zu fügenden Teile an der Fügeposition
6: Verbinden von Füllung und zu fügenden Teilen
7: Spaltmaß
8: zu fügendes Bauteil
9: zu fügendes Bauteil
10: Stück aus Füllmaterial
11: Lagen aus Füllmaterial

Claims

Verfahren zum Fügen von Faserverbundbauteilen umfassend die Schritte a) Positionieren der zu fügenden Bauteile, b) Bestimmen der Spaltmaße der Fügung, c) Positionieren von Füllmaterial aus thermoplastischem Material und der zu fügenden Teile an der Fügeposition, d) Fixieren der zu fügenden Bauteile durch Aufheizen des Füllmaterials aus thermoplastischem Material, e) Bohren und Nieten der zu fügenden Bauteile.
Verfahren nach Patentanspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial aus thermoplastischem Material eine Glastemperatur über 80°C aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial aus thermoplastischem Material überwiegend aus Material besteht, das unter PA, PPS, PP, PC, PEI gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial im Wesentlichen aus thermoplastischem Material besteht, das unter PA, PPS, PP, PC, PEI gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial aus thermoplastischem Material eine einzelne Folienschicht oder ein Stapel von Folienschichten darstellt.
Verfahren nach Patentanspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Folienschicht oder der Stapel von Folienschichten eine Stärke von bis zu 3 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Fixieren der zu fügenden Bauteile durch Aufheizen das Füllmaterials mit Ultraschall erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Fixieren der zu fügenden Bauteile durch Aufheizen des Füllmaterials durch Induktion erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen des Füllmaterials durch Induktion im Wesentlichen nur in der Ebene der Folie erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundbauteile Bauteile aus kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff darstellen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Faserverbundbauteile Bauteile von Luft- oder Raumfahrzeugen sind.
Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die zu fügenden Faserverbundbauteile ein vollständig ausgehärtetes Hautfeld eines Luftfahrzeugs und Versteifungselemente wie umlaufende Versteifungen und/oder Längsversteifungen darstellen.
Zusammengefügte Faserverbundbauteile von Luft- oder Raumfahrzeugen erhältlich nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche.